11. 7. Двороторний насос Рутса

Велику швидкість дії при невеликих ступенях стискання газу, що відкачується, досягають за допомогою насоса, який має два ротори з профілями у вигляді лемніскати (рис. 11.6). При синхронному обертанні роторів в протилежних напрямах, що забезпечується за допомогою зубчатої передачі, між поверхнями роторів, а також поверхнею статора постійно зберігається невеликий проміжок (0,10,15 мм), який не ущільнюється маслом. Газ, що потрапляє в об’єм між поверхнями роторів і статора, від впускного отвора переноситься до випускного.

Рис. 11.6

Наявність у насосі неущільнених проміжків вносить в роботу насоса багато особливостей, які відрізняють його від розглянутих обертових насосів.

По-перше, проміжки дозволяють обертати ротори з великою швидкістю (до 50 об/с) без загрози заклинення, що дає змогу досягти великої швидкодії насоса.

По-друге, при низьких тисках принцип відкачки стає подібним до молекулярних насосів.

По-третє, під дією різниці тисків на випускному і впускному отворах, виникає негативне явище таке, як зворотний потік газа. Величина цього потоку визначається за формулою

Q = ( ), (11.1)

де - провідність проміжків.

Граничний тиск двороторних насосів досягає 10 Торр, а швидкодія в залежності від конструкції може бути 50 5500 л/с за тиском 10 Торр. Особливо широке застосування ці насоси отримали в технології вакуумного витоплення металів.

11. 8. Молекулярний обертовий насос

Роботу молекулярних насосів можна пояснити тільки на основі молекулярно-кінетичної теорії газів. Окремі молекули видалюваного газа направляються до випускного отвору в результаті отримання імпульсу від стінки, що швидко обертається. Молекули газа при зіткненні з поверхнею твердого тіла на деякий час утримуються на ній, після чого випарюються з неї у випадковому напрямі незалежно від кута, під яким виникло зіткнення. Якщо поверхня буде рухатися, то молекули газа, що випарюються з неї після зіткнень, матимуть складову швидкості, що дорівнює як за величиною, так і за напрямом швидкості руху поверхні.

Розглянемо принцип молекулярної відкачки на прикладі роботи молекулярного насоса, що зображений на рис. 11.7.

Рис. 11.7

Насос складається з ротора, який обертається з великою швидкістю, має поліровану поверхню і розміщений співвісно з малим зазором в нерухомому циліндричному статорі. Між впускним і випускним отвором по дузі кола, довжиною l в статорі зроблено відносно більший зазор. При обертанні ротора, газові молекули після зіткнення з поверхнею ротора будуть отримувати імпульс в напрямі до випускного отвору, тобто газ буде переміщуватися в статорі по каналу довжиною l і в результаті між впускним і випускним отвором виникне різниця тисків.

Німецький фізик Геде визначив, що при низьких тисках відношення тисків на випускному і впускному отворах дорівнює

, (11.2)

де - коефіцієнт, що залежить від природи газа і від провідності каналу в статорі; - лінійна швидкість обертання ротора.

З наведеного виразу видно, що відношення тисків зростає при збільшенні швидкості обертання ротора, а граничний тиск буде зменшуватися при зменшенні випускного тиску за допомогою попереднього розрідження. Насос починає задовільно працювати вже при =100 м/с і з тим більшою ефективністю, чим число зіткнень молекул зі стінкою канала буде більшим за число зіткнень між молекулами. Необхідно, щоб середня довжина вільного пробігу молекул була великою в порівнянні з висотою канала, тобто потрібно здійснювати попередне розріження. Наведене відношення тисків залежно від конструкції насоса і швидкості обертання ротора може коливатися в межах 10 10 Торр, тобто граничний тиск буде за порядком 10 Торр, якщо попередній вакуум забезпечити 1 Торр.

Середня енергія молекули залежить тільки від температури, тому при однакових температурах для двох різних газів можна записати, що

. (11.3)

Оскільки механічний молекулярний насос працює в результаті передачі молекулам додаткового імпульсу руху, то

, (11.4)

де і - швидкодії насоса для кожного газа.

Таким чином, швидкодія такого молекулярного насоса змінюється пропорційно кореню квадратному з молекулярної маси. Цю властивість можна використовувати для розділення ізотопів.